Combien de nouvelles particules le LHC a-t-il découvertes ? La découverte la plus connue est bien sûr celle du boson de Higgs. Moins connu est le fait que, au cours des 10 dernières années, les expériences LHC ont également trouvé plus de 50 nouvelles particules appelées hadrons. Par coïncidence, le nombre 50 apparaît deux fois dans le contexte des hadrons, car 2021 marque le 50e anniversaire des collisionneurs de hadrons :le 27 janvier 1971, deux faisceaux de protons sont entrés en collision pour la première fois dans l'accélérateur des anneaux de stockage à intersections du CERN, ce qui en fait le premier accélérateur de l'histoire à produire des collisions entre deux faisceaux de hadrons contrarotatifs.

Alors quels sont ces nouveaux hadrons, quel nombre 59 au total ? Commençons par le commencement :les hadrons ne sont pas des particules élémentaires, les physiciens savent que depuis 1964, lorsque Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé indépendamment ce que l'on appelle aujourd'hui le modèle des quarks. Ce modèle a établi les hadrons en tant que particules composites constituées de nouveaux types de particules élémentaires appelées quarks. Mais, de la même manière que les chercheurs découvrent encore de nouveaux isotopes plus de 150 ans après que Dmitri Mendeleev ait établi le tableau périodique, les études d'états composites possibles formés par les quarks sont toujours un domaine actif en physique des particules.

La raison en est la chromodynamique quantique, ou QCD, la théorie décrivant l'interaction forte qui maintient les quarks ensemble à l'intérieur des hadrons. Cette interaction a plusieurs caractéristiques curieuses, y compris le fait que la force de l'interaction ne diminue pas avec la distance, conduisant à une propriété appelée confinement de la couleur, qui interdit l'existence de quarks libres en dehors des hadrons. Ces caractéristiques rendent cette théorie mathématiquement très difficile; En réalité, le confinement de la couleur lui-même n'a pas été prouvé analytiquement à ce jour. Et nous n'avons toujours aucun moyen de prédire exactement quelles combinaisons de quarks peuvent former des hadrons.

Que savons-nous alors des hadrons ? Dans les années 60, il y avait déjà plus de 100 variétés connues de hadrons, découvertes lors d'expériences avec des accélérateurs et des rayons cosmiques. Le modèle des quarks a permis aux physiciens de décrire l'ensemble du "zoo" comme différents états composites de seulement trois quarks différents :up, bas et étrange. Tous les hadrons connus pourraient être décrits comme étant constitués de trois quarks (formant des baryons) ou de paires quark-antiquark (formant des mésons). Mais la théorie a également prédit d'autres arrangements possibles de quarks. Déjà dans l'article original de Gell-Mann de 1964 sur les quarks, la notion de particules contenant plus de trois quarks est apparue comme une possibilité. Aujourd'hui, nous savons que de telles particules existent, mais il a fallu plusieurs décennies pour confirmer expérimentalement les premiers hadrons à quatre et cinq quarks, ou tétraquarks et pentaquarks.

Une liste complète des 59 nouveaux hadrons trouvés au LHC est présentée dans l'image ci-dessous. Parmi ces particules, certains sont des pentaquarks, certains sont des tétraquarks et d'autres sont de nouveaux états (excités) à haute énergie de baryons et de mésons. La découverte de ces nouvelles particules, ainsi que les mesures de leurs propriétés, continue de fournir des informations importantes pour tester les limites du modèle des quarks. Cela permet aux chercheurs d'approfondir leur compréhension de l'interaction forte, vérifier les prédictions théoriques et ajuster les modèles. Ceci est particulièrement important pour les recherches effectuées au Grand collisionneur de hadrons, puisque l'interaction forte est responsable de la grande majorité de ce qui se passe lorsque les hadrons entrent en collision. Mieux nous pourrons comprendre l'interaction forte, plus nous pouvons modéliser ces collisions avec précision et meilleures sont nos chances de voir de petits écarts par rapport aux attentes qui pourraient laisser présager d'éventuels nouveaux phénomènes physiques.

Les découvertes de hadrons des expériences LHC continuent d'affluer, principalement de LHCb, ce qui est particulièrement adapté à l'étude des particules contenant des quarks lourds. Le premier hadron découvert au LHC, b(3P), a été découvert par ATLAS, et les plus récents incluent un nouveau baryon étrange de beauté excité observé par CMS et quatre tétraquarks détectés par LHCb.